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位能負(fù)載條件下的變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)
深圳市庫馬克新技術(shù)有限公司 羅自永 李瑞常廣州鋼鐵集團(tuán)公司 劉少善 高永堅(jiān)
摘要：本文分析了位能負(fù)載的物理特性，控計(jì)了提升機(jī)械變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和分析計(jì)算方法，對(duì)變頻設(shè)備的合理選用進(jìn)行了研究．
關(guān)鍵詞：提升機(jī) 變頻調(diào)速 制動(dòng)
一、概述：
物品提升機(jī)械是國(guó)民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)不可缺少的生產(chǎn)設(shè)備，在各工礦企業(yè)中大量使用，如工廠的行吊、港口碼頭的塔吊、礦井提升機(jī)、高爐卷揚(yáng)機(jī)、民用電梯、軋機(jī)升降臺(tái)、以及油田抽油機(jī)等，都是典型的提升機(jī)械。這類設(shè)備大多采用繞線式電動(dòng)機(jī)作為主驅(qū)動(dòng)，用于提升或下放重物，具有典型的位能負(fù)載特性。
由于啟動(dòng)及調(diào)速成等方面的需要，通常都是在繞線式電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子回路串接電阻，從而降低電機(jī)啟動(dòng)電流，并實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的分級(jí)調(diào)整。這種控制方式帶來如下弊端：
1、轉(zhuǎn)子回路串接電阻，消耗電能，造成能源浪費(fèi)。
2、電阻分級(jí)切換，實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速，設(shè)備運(yùn)行不平穩(wěn)，引起電氣及機(jī)械沖擊。
3、再生發(fā)電時(shí)，機(jī)械能回饋電網(wǎng)，造成電網(wǎng)功率因數(shù)低。尤其在供電饋線較長(zhǎng)的應(yīng)用場(chǎng)合，會(huì)加大變壓器、供電線路等方面的投資。
4、接觸器頻繁投切，電弧燒傷觸點(diǎn)，影響接觸器的使用壽命，設(shè)備維修成本較高。
5、繞線電動(dòng)機(jī)滑環(huán)存在的接觸不良問題，容易引起設(shè)備事故。
隨著交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速器的應(yīng)用和普及，人們已開始淘汰繞線式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速這一落后的調(diào)速方式，采用先進(jìn)的變頻調(diào)速技術(shù)取而代之，實(shí)現(xiàn)了提升機(jī)械的平滑調(diào)速和節(jié)能運(yùn)行，并將電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)提高到0.95以上，同時(shí)省去了調(diào)速接觸器、正反轉(zhuǎn)接觸器等軟件，完全解決了傳統(tǒng)提升機(jī)械的存在的固有缺陷，使設(shè)備性能行到極大提高。
二、位能負(fù)載的調(diào)速特性
提升機(jī)械用于提升或下降位能負(fù)載，無論是過平衡或欠平衡配置，必然存在電動(dòng)和再生發(fā)電兩個(gè)工作區(qū)，其調(diào)速特性如圖一和圖二所示。
圖一 轉(zhuǎn)子回路串電阻的調(diào)速特性 圖二 交流變頻調(diào)速特性
如圖所示，繞線式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串接電阻調(diào)速時(shí)，通過電阻的分級(jí)切換和正反轉(zhuǎn)接觸器切換，實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速和正反轉(zhuǎn)控制。其中，工作點(diǎn)１和工作點(diǎn)２為電動(dòng)狀態(tài)，工作點(diǎn)３為能耗制動(dòng)狀態(tài)，工作點(diǎn)４為再生發(fā)電機(jī)狀態(tài)。
變頻調(diào)速特性為一組平行的曲線，同于變頻器的頻率可以連續(xù)可調(diào)，因而能夠?qū)崿F(xiàn)平滑無級(jí)調(diào)速。圖二中１區(qū)為電動(dòng)區(qū)，２區(qū)為再生發(fā)電區(qū)，電能回饋至變頻器的直流側(cè)，通過制動(dòng)組件泄放。
三、變頻器的容量選擇
提升機(jī)械采用變頻器進(jìn)行控制時(shí)，可以遷用鼠籠型電動(dòng)機(jī)，對(duì)于原使用繞線式電動(dòng)機(jī)的提升機(jī)械，可將繞線式電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子短接，當(dāng)作籠型電機(jī)使用。常用的電動(dòng)機(jī)為ＹＺ系列鼠籠型電動(dòng)機(jī)和ＹＺＲ系列繞線型電動(dòng)機(jī)，這兩個(gè)系列的電動(dòng)機(jī)，都是以工作制Ｓ３及負(fù)載持續(xù)率40%的定額作為基準(zhǔn)定額。電動(dòng)機(jī)的額定值選定后，應(yīng)選擇相應(yīng)的變頻器容量。
ＹＺ和ＹＺＲ系列電動(dòng)機(jī)的過載力矩一般為2.2-2.8倍，為了充分發(fā)揮電動(dòng)機(jī)的負(fù)載能力，提高起重設(shè)備的安全性能，采用變頻器進(jìn)行控制后，必須保證變頻器－電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)具有2.2-2.8倍的過載能力。由于普通變頻器的過載能力一般為150%一分鐘，瞬態(tài)過載力矩只能達(dá)到180%－200%，因此必須提高所適配的變頻器容量，以便提高變頻器－電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的瞬時(shí)過載能力。
由上述可知，只要把變頻器的容量提高20%左右，即可使變頻器－電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的瞬時(shí)過載能力提高到2.0-2.4倍，基本滿足要求。因此，應(yīng)選擇變頻器額定容量為電動(dòng)機(jī)額定容量的120%以上，即把變頻器的容量提高一個(gè)等級(jí)。如45KW的電動(dòng)機(jī)，應(yīng)配置55KW的變頻器，且變頻器應(yīng)具有較大的過載能力，過載率在150%一分鐘以上。
四、制動(dòng)組件的合理選用
如圖三所示，再生發(fā)電時(shí)機(jī)械能被轉(zhuǎn)換成電能，回饋到變頻器直流側(cè)的電容器上，其結(jié)果將使直流回路的電壓升高，當(dāng)電壓升高到某一設(shè)定值（如750V），制動(dòng)單元自動(dòng)控制放電用開關(guān)管導(dǎo)通，電能向制動(dòng)電阻上泄放。制動(dòng)單元?jiǎng)幼骱螅狗诺哪芰看笥诨仞伳芰�，直流回路的電墳開始下降，當(dāng)它下降到某一設(shè)一值（如630V），則制動(dòng)單元自動(dòng)控制放電用開關(guān)管關(guān)閉，停止放電。這一充電與放電過程由變頻器和制動(dòng)組件自動(dòng)完成，維持直流回路電壓在一個(gè)安全的范圍之內(nèi)。
由上述可知，選擇制動(dòng)組件的基本原則是：
1、制動(dòng)組件的最大瞬時(shí)放電能量大于等于最大瞬時(shí)回饋能量。
2、制動(dòng)組件的平均放電能量大于等于平均回饋能量。
通常，制動(dòng)組件的最大瞬時(shí)放電能力由其放電開關(guān)管的額定電流所決定，而平均放電能力則取決于制動(dòng)電阻的額定功率大小。
以工礦企業(yè)常用的行吊為例，說明制動(dòng)組件的選取方法。
圖三 變頻系統(tǒng)示意圖
圖四是一個(gè)典型的行吊作業(yè)速度圖。行吊在某個(gè)地點(diǎn)以速度Ｎ１提升重物，平移到另一個(gè)地點(diǎn)，然后以速度Ｎ１下放重物，再回到原地繼續(xù)作業(yè)，如此往復(fù)。設(shè)工作周期為Ｔ，在下放重物時(shí)電動(dòng)機(jī)再生發(fā)電，持續(xù)時(shí)間為Ｔｂ，重物在電動(dòng)機(jī)軸上形成的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為Ｍｚ，機(jī)械效率為η，則：
最大瞬時(shí)回饋能量pm=ηMzN1
制動(dòng)時(shí)間Ｔｂ內(nèi)的平均回饋能量Ｐｂ＝ηMzN1
周期Ｔ內(nèi)的平均回饋能量Ｐａ＝ηMzN1Tb/T
按下弄算法選取組件的額定參數(shù)：
1、放電開關(guān)管額定電流Ibe
Ibe>Pm/750
按正常過載條件Mz＝1.5Me,N1=Ne來考慮，取Ibe>1.5ηMzNe/750=1.5ηPe/750
其中，Me、Ne、Pe分別為電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)速和額定功率。
2、制動(dòng)電阻值Rb
Rb≈(750-800)/Ibe(Ω)
3、制動(dòng)電阻額定功率Pbe
制動(dòng)電阻的允許過載系數(shù)K是時(shí)間的函數(shù)，其典型的特性曲線如圖五所示。
由Pb=ηMzN1=ηPe(MzN1/MeNe)
Pa=ηMzN1Tb/T=ηPe(Tb/TXMzN1/MeNe)
令K1=MzN1/MeNe,制為制動(dòng)負(fù)載系數(shù)K2=Tb/T,稱為制率，則Pb=ηK1Pe Pa＝ηK1K2Pe
根據(jù)實(shí)際工況計(jì)算出Pa和Pb,并從制動(dòng)電阻特性曲線查出與Tb對(duì)應(yīng)的過載系數(shù)Kb（以40℃的環(huán)境溫度為標(biāo)準(zhǔn)），同時(shí)考慮一定的安全容量，選取Pbe>1.2Max(Pb/Kb,Pa)
五、調(diào)速控制方法
> 采用變頻調(diào)速控制的提升機(jī)械仍可使用傳統(tǒng)的速度控制方法，如行吊的速度控制，仍使用傳統(tǒng)的凸輪控制器，不同的檔位給出了上升或下降方向指令和多級(jí)速度指令，輸入到變頻器的控制端，實(shí)現(xiàn)方向控制和調(diào)速。現(xiàn)在已有行吊變頻專用控制器推出，應(yīng)用它可以簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，減少故障點(diǎn)。
變頻調(diào)速器還可提供更為先是的閉環(huán)控制方法，如配合工藝實(shí)現(xiàn)提升和下降的不同速度運(yùn)行等。某鋼鐵廠軋機(jī)升降臺(tái)采用變頻傳動(dòng)，為了實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)與液硬度平衡機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)控制，應(yīng)用先進(jìn)的控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了不同平衡力矩下的變速控制，在不增加變頻器容量的情況下解決了液硬度平衡系統(tǒng)的冷起動(dòng)問題。
六、結(jié)束語
位能負(fù)載條件下的變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須以實(shí)際負(fù)載情況為依據(jù)，才能達(dá)到節(jié)省投資的目的。電動(dòng)機(jī)、變頻器、制動(dòng)組件的合理匹配是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于天車、塔吊、軋機(jī)升降臺(tái)等多個(gè)變頻改造項(xiàng)目中，收到了良好的效果。廣州鋼鐵集團(tuán)公司連軋廠20t天車變頻改造，由于設(shè)計(jì)合理，既節(jié)省了投資，又保證了天車的基本運(yùn)行性能，設(shè)備投入運(yùn)行一年多，情況良好，未發(fā)生任何故障。
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